JP5247562B2 - Humidity measuring device - Google Patents
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Description
この発明は、感湿素子が相対湿度によって容量値が変化する特性を利用して計測環境の相対湿度を計測する湿度計測装置に関するものである。 The present invention relates to a humidity measuring device that measures the relative humidity of a measurement environment by using a characteristic that a humidity sensing element changes its capacitance value depending on relative humidity.
容量式センサの一つである容量式湿度センサは、その感湿素子が相対湿度の変化により容量値が変化する特性を利用して、計測環境の相対湿度を計測するものである。この容量式湿度センサでは、容量の変化量を電圧などに変換して湿度計測値として出力するものであるが、このときの容量の変化は、相対湿度100%に対して数十pF以下(20〜30pF以下)といった微少量である。このため、湿度センサの感湿素子と、この感湿素子からの検出信号を信号処理する回路部(発信回路、増幅回路、出力信号変換回路等)とをケーブルで接続すると、そのケーブルの容量が温度変化や折り曲げの影響を受けて大きく変化し、湿度計測値の精度が悪化してしまう。 A capacitive humidity sensor, which is one of the capacitive sensors, measures the relative humidity of the measurement environment by using the characteristic that the humidity sensing element changes its capacitance value due to a change in relative humidity. In this capacitive humidity sensor, the amount of change in capacitance is converted into a voltage or the like and output as a humidity measurement value. At this time, the change in capacitance is several tens of pF or less (20% relative to 100% relative humidity). ˜30 pF or less). For this reason, when a humidity sensor of a humidity sensor and a circuit unit (a transmission circuit, an amplifier circuit, an output signal conversion circuit, etc.) that processes a detection signal from the humidity sensor are connected by a cable, the capacity of the cable is reduced. It changes greatly under the influence of temperature changes and bending, and the accuracy of humidity measurement values deteriorates.
従って、望ましくは感湿素子と回路部とを近接して接続すべきであるが、湿度の計測を行う現場の温度環境が、回路部内の増幅回路を構成する電子部品の使用限界温度を越えていると、もはや感湿素子と回路部とを近接して接続することはできず、感湿素子が設置される現場から回路部を隔離して相互にケーブルで接続せざるを得ない。
このような感湿素子と回路部を接続するケーブルの容量変化に起因した湿度計測の精度悪化を解決する従来の技術としては、例えば、特許文献1,2に開示されるものがある。
Therefore, it is desirable that the moisture sensitive element and the circuit unit should be connected in close proximity, but the temperature environment of the site where the humidity is measured exceeds the limit temperature of use of the electronic components constituting the amplifier circuit in the circuit unit. If this is the case, it is no longer possible to connect the moisture sensitive element and the circuit part in close proximity, and the circuit part must be isolated from the site where the moisture sensitive element is installed and connected to each other with a cable.
For example,
特許文献1のセンサシステムでは、センサヘッドが、第1電極と、この第1電極の間に所定の距離をおいて相対するよう配置された第2電極とを備え、測定装置が、信号端子、シールド端子、バイアス端子を備えており、信号端子の電圧とシールド端子の電圧とが、常に等しくなるように測定回路を構成している。また、センサヘッドと測定装置との接続に3重同軸ケーブルを用い、3重同軸ケーブルの中心軸線で第1電極を信号端子に接続し、3重同軸ケーブルの外側被覆線で第2電極をバイアス端子に接続しており、3重同軸ケーブルの内側被覆線をシールド端子に接続している。
このように、3重同軸ケーブルの中心軸線に相当する信号線が、この信号線と同電位を有するシールド手段である外側被覆線と内側被覆線とによって電気的に遮断されるので、ケーブルの容量変化が計測値の精度に及ぼす悪影響を排除できる。
In the sensor system of Patent Document 1, the sensor head includes a first electrode and a second electrode arranged to face each other with a predetermined distance between the first electrode, and the measurement device includes a signal terminal, A shield terminal and a bias terminal are provided, and the measurement circuit is configured so that the voltage at the signal terminal is always equal to the voltage at the shield terminal. Also, a triple coaxial cable is used to connect the sensor head and the measuring device, the first electrode is connected to the signal terminal at the center axis of the triple coaxial cable, and the second electrode is biased by the outer sheathed wire of the triple coaxial cable. It is connected to the terminal, and the inner coated wire of the triple coaxial cable is connected to the shield terminal.
Thus, since the signal line corresponding to the central axis of the triple coaxial cable is electrically interrupted by the outer covered wire and the inner covered wire which are shielding means having the same potential as the signal line, the capacity of the cable The adverse effect of changes on the accuracy of measured values can be eliminated.
また、特許文献2に開示される静電容量−電圧変換装置は、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有し、出力端子と反転入力端子との間が帰還抵抗によって接続された演算増幅器と、反転入力端子に一端が接続され、静電容量を有する静電容量素子を他端に接続する信号線と、この信号線の少なくとも一部を包囲し、かつ、非反転入力端子に接続されたシールドと、非反転入力端子に交流信号を印加する交流信号発生器と、演算増幅器の出力信号と交流信号とが互いに相殺されるように、それらの振幅と位相を調整する調整回路とを具備する。このように構成することにより、信号線の浮遊容量に影響されることなく、信号線に接続された静電容量素子の静電容量を電圧に変換でき、微少量の静電容量であっても、対応する電圧を高精度に求めることができる。
Further, the capacitance-voltage conversion device disclosed in
特許文献1は、導体の外側被覆線及び内側被覆線をシールド手段として有する3重同軸ケーブルを使用することが前提とされている。このような3重同軸ケーブルは、一般的な湿度センサには使用されておらず、特許文献1では、標準品として市販されている同軸ケーブルを用いることができず、汎用性がない。 Patent Document 1 is premised on the use of a triple coaxial cable having a conductor outer covered wire and an inner covered wire as shield means. Such a triple coaxial cable is not used for a general humidity sensor, and in Patent Document 1, a coaxial cable that is commercially available as a standard product cannot be used, and is not versatile.
特許文献2は、演算増幅器の出力信号と交流信号とが互いに相殺されるように、これらの振幅と位相とを調整する調整回路が必要であるため、回路構成が複雑になる。
Since
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡易な構成で微小な静電容量の変化による湿度あっても高い精度で計測することができる湿度計測装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is intended to obtain a humidity measuring device capable of measuring with high accuracy even with humidity due to a minute change in capacitance with a simple configuration. Objective.
この発明に係る湿度計測装置は、計測環境雰囲気中の湿度に応じて静電容量が変化する感湿素子を有する感湿部と、基準静電容量を得る基準静電容量部と、前記感湿素子と接続する第1の導電ケーブルと、前記基準静電容量部と接続する第2の導電ケーブルと、前記第1の導電ケーブルを介して前記感湿素子の静電容量を取得するとともに、前記基準静電容量部の基準静電容量を取得し、前記感湿素子の静電容量と前記基準静電容量から前記感湿素子の静電容量の変化分を検出する信号処理部と、前記信号処理部で検出された前記感湿素子の静電容量の変化分を、対応する相対湿度を表す電気信号に変換して出力する出力信号変換部とを備えた湿度計測装置において、前記第1の導電ケーブルの浮遊容量と前記第2の導電ケーブルの浮遊容量が等しくなるように、第1及び第2の導電ケーブルは、同種同長の同軸ケーブルであり、且つ、それぞれの導電ケーブルは1本の複合同軸ケーブルに含まれ、前記第1の導電ケーブルを前記感湿素子に接続し、前記第2の導電ケーブルを信号処理部側に配置された前記基準静電容量と接続し、そのもう一方の端部を解放としていることを特徴とするものである。
The humidity measuring device according to the present invention includes a humidity sensing unit having a humidity sensing element whose capacitance changes according to the humidity in the measurement environment atmosphere, a reference capacitance unit for obtaining a reference capacitance, and the humidity sensing unit. A first conductive cable connected to the element, a second conductive cable connected to the reference capacitance unit, and a capacitance of the moisture-sensitive element via the first conductive cable; A signal processing unit that acquires a reference capacitance of a reference capacitance unit, detects a change in capacitance of the moisture sensitive element from the capacitance of the moisture sensitive element and the reference capacitance, and the signal In the humidity measuring apparatus, comprising: an output signal converting unit that converts a change in capacitance of the moisture sensitive element detected by the processing unit into an electric signal representing a corresponding relative humidity and outputs the electric signal. The stray capacitance of the conductive cable and the stray capacitance of the second conductive cable In order to be equal, the first and second conductive cables are coaxial cables of the same type and length, and each conductive cable is included in one composite coaxial cable, and the first conductive cable is connected to the sensing cable. It is connected to a wet element, the second conductive cable is connected to the reference capacitance arranged on the signal processing unit side, and the other end is opened .
この発明によれば、第1の導電ケーブルの浮遊容量と第2の導電ケーブルの浮遊容量を等しくしたので、感湿素子の静電容量の変化分として第1、第2の導電ケーブルの浮遊容量が相殺され、真の静電容量の変化分が得られることから、感湿素子の静電容量の変化が微少量であっても、対応する湿度を精度良く計測できるという効果がある。 According to the present invention, since the stray capacitance of the first conductive cable is equal to the stray capacitance of the second conductive cable, the stray capacitance of the first and second conductive cables is determined as the change in the capacitance of the moisture sensitive element. Is canceled and a true change in capacitance is obtained, so that the corresponding humidity can be accurately measured even if the change in capacitance of the humidity sensing element is very small.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による湿度計測装置を概略的に示す図である。図1において、実施の形態1による湿度計測装置1は、感湿素子の静電容量の変化で湿度を計測する容量式湿度センサであり、ケース2Aに収容した回路部基板に設けられる回路部2、感湿素子を有する感湿部3、及び回路部2と感湿部3とを接続するケーブル4を備える。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 schematically shows a humidity measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, a humidity measuring device 1 according to Embodiment 1 is a capacitive humidity sensor that measures humidity by a change in capacitance of a moisture sensitive element, and a
回路部2は、感湿部3の感湿素子からの検出信号を信号処理する構成部であり、発信回路、増幅回路、電源回路、外部端子等を備える。感湿部3の感湿素子14は、計測環境の相対湿度の変化によって静電容量値が変化する特性を有した感湿素子であり、回路部2が当該感湿素子14の静電容量値の変化量を電圧等に変換して湿度計測値として出力する。なお、図1に示す例では、感湿部3が、感湿素子14と、測温抵抗体3線式計測で温度計測する測温抵抗体(温度センサ)22とを組み合わせて構成されており、湿度−温度計測が可能である。
The
ここでは、湿度計測を行う現場が回路部2を構成する電子部品の使用限界温度を越える場合があることを想定して、図1に示すように、感湿部3を計測現場に配置し、回路部2を収納したケース2Aを計測現場の温度環境に影響を受けない場所に配置し、回路部2内の電子部品と感湿部3内の感湿素子とをケーブル4を介して接続している。
Here, assuming that the site where the humidity measurement is performed may exceed the use limit temperature of the electronic components constituting the
また、ケーブル4としては静電容量の変化が少ない同軸ケーブルが好適であるが、この実施の形態1では、図2を用いて後述するように2本の同種同長の同軸ケーブルを用い、一方の同軸ケーブルで感湿素子と回路部2の素子側回路とを接続して、もう一方の同軸ケーブルは感湿素子と接続せず、オープンとして回路部2内の基準側回路に接続する。
このとき、2本の同軸ケーブルを1本の複合同軸ケーブルとする。これにより、感湿素子に接続した同軸ケーブルの浮遊容量が折り曲げ等により変化しても、基準側の同軸ケーブルの浮遊容量も同様に変化するため、素子側回路と基準側回路との出力を差動増幅することで、ケーブルの容量変化による計測値出力への影響をキャンセルできる。
In addition, the
At this time, two coaxial cables are used as one composite coaxial cable. As a result, even if the stray capacitance of the coaxial cable connected to the moisture-sensitive element changes due to bending or the like, the stray capacitance of the reference-side coaxial cable also changes in the same way. By dynamically amplifying, it is possible to cancel the influence on the measurement value output due to the change in the cable capacity.
図2は、実施の形態1による湿度計測装置の構成を示すブロック図である。図2において、回路部2は、信号処理部5、電源回路6、出力信号変換部7及び外部端子8を備え、信号処理部5は、C−V変換回路(発信回路)9及び差動増幅回路10を備え、出力信号変換部7は、出力増幅回路11を備える。電源回路6は、外部端子8を介して入力された電力を信号処理部5と出力信号変換部7に供給して駆動させる。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the humidity measuring apparatus according to the first embodiment. 2, the
C−V変換回路9は、基準容量部が与える基準静電容量を電圧に変換する基準側回路と感湿素子14の静電容量を電圧に変換する素子側回路とを備える。素子側回路には、同軸ケーブル(第1の導電ケーブル)12が接続されており、感湿素子14の静電容量Ceには、この同軸ケーブル12の浮遊容量Cc1が付加される。また、基準側回路には同軸ケーブル(第2の導電ケーブル)13が接続されており、基準容量部が与える基準静電容量Crには同軸ケーブル13の浮遊容量Cc2が付加している。
The CV conversion circuit 9 includes a reference side circuit that converts a reference capacitance provided by the reference capacitance unit into a voltage, and an element side circuit that converts the capacitance of the moisture
差動増幅回路10は、C−V変換回路9の素子側回路の出力電圧と基準側回路の出力電圧を入力して差動増幅する。出力信号変換部7は、差動増幅回路10で得られた、基準静電容量に対する感湿素子14の静電容量の変化分に相当する電圧差を、これに対応する相対湿度を表す電気信号に変換して出力する構成部であり、出力増幅回路11は差動増幅回路10の出力を増幅する。
The
感湿部3に設けられる感湿素子14は、例えば2枚の電極に感湿性高分子を挟み込んで構成された高分子容量式感湿素子を用いる。この場合、計測環境の水蒸気量に応じて、感湿性高分子に吸着した水分量により変化し、この吸着水分量により感湿性高分子の誘電率が変化する。この誘電率の変化が上記電極間での静電容量の変化として測定される。この静電容量の変化は、計測環境の相対湿度に比例する。
As the
図3は、実施の形態1によるケーブルの一例を示す断面図である。図3に示すように、ケーブル4は、同軸ケーブル12,13がシース15及びシールド16によって被覆された複合同軸ケーブルである。同軸ケーブル12,13は、信号を伝搬する導体17と同軸に内側絶縁体18、シールド19及び外側絶縁体20を設けた同種、同長の同軸ケーブルである。
FIG. 3 is a sectional view showing an example of the cable according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, the
図4は、実施の形態1によるケーブルの接続関係を示す図であり、図5は、図2中の信号処理部による処理の流れを示す図である。図4に示すように、感湿素子14の一方の電極には、同軸ケーブル12の信号導体が接続され、もう一方の電極が同軸ケーブル12のシールドとともに接地される。
FIG. 4 is a diagram showing a cable connection relationship according to the first embodiment, and FIG. 5 is a diagram showing a processing flow by the signal processing unit in FIG. As shown in FIG. 4, the signal conductor of the
感湿素子14は、回路部2の素子側回路で抵抗Rと接続されており、素子側回路では、図5に示すように、感湿素子14の検出湿度に応じた矩形波信号(素子側発信波形)が出力される。この素子側発信波形において、感湿素子14の静電容量Ceが変化する変化時間T1は、感湿素子14の検出湿度(静電容量Ce)と抵抗Rとの積に依存する。
The moisture
一方、回路部2の基準側回路においても同様に、基準静電容量部に抵抗Rが接続されており、基準静電容量に応じた矩形波信号(基準側発信波形)が出力される。この基準側発信波形において、基準静電容量Crが変化する変化時間T2は、基準静電容量Crと抵抗Rとの積に依存する。
On the other hand, also in the reference side circuit of the
C−V変換回路9は、素子側発信波形と基準側発信波形とをそれぞれRC積分することにより、図5に示すように、感湿素子14の静電容量Ceの変化に応じた電圧値と、基準静電容量Crに応じた電圧値とを出力する。差動増幅回路10が、これら出力電圧値の電圧差を増幅することにより、図5に示す電圧出力が得られる。この電圧出力は、基準静電容量Crに対する感湿素子14の静電容量Ceの変化分に相当する電圧差である。出力信号変換部7は、この電圧出力を増幅して対応する相対湿度を表す電気信号に変換し、外部端子8を介して湿度計測値として出力する。
The CV conversion circuit 9 performs RC integration on the element-side transmission waveform and the reference-side transmission waveform, respectively, so that the voltage value corresponding to the change in the capacitance Ce of the moisture
上述したように、感湿素子14の静電容量Ceには同軸ケーブル12の浮遊容量が付加されており、基準静電容量Crには同軸ケーブル13の浮遊容量が付加されている。この発明では、同軸ケーブル12,13を1本の複合同軸ケーブル4として、同軸ケーブル12の浮遊容量と同軸ケーブル13の浮遊容量とを略一致させている(Cc1=Cc2)。これにより、上述の変化時間T1とT2が等しくなり、素子側と基準側の出力を差動増幅することによって、同軸ケーブル12,13の浮遊容量の電圧出力に対する影響を相殺できる。
As described above, the stray capacitance of the
なお、ケーブル4は、図3に示した構成に限定されるものではない。
図6は、実施の形態1によるケーブルの他の例を示す断面図である。図6に示すケーブル4は5芯の複合同軸ケーブルであり、同軸ケーブル12,13の他、信号線となる3本の同軸ケーブル21を有する。例えば、図1に示した湿度−温度計測装置において、感湿素子14と同軸ケーブル12,13を接続し、測温抵抗体3線式計測で温度計測する測温抵抗体22の信号線として3本の同軸ケーブル21を利用する。
このように、感湿部3等のセンサ部と信号処理を行う回路部2とを複合同軸ケーブルで接続する構成を利用して、容量式湿度センサのみならず、他のセンサ素子の信号用の同軸ケーブルも1本の複合同軸ケーブルにまとめることができる。上記の他、風速センサ等の信号線を複合同軸ケーブルにまとめてもよい。
The
FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the cable according to the first embodiment. The
In this way, the sensor unit such as the
以上のように、この実施の形態1によれば、基準静電容量Crに付加されている同軸ケーブル13の浮遊容量と感湿素子14の静電容量Ceに付加されている同軸ケーブル12の浮遊容量とを等しくしたので、感湿素子14の静電容量の変化分として同軸ケーブル12,13の浮遊容量が相殺され、真の静電容量の変化分が得られることから、感湿素子14の静電容量Ceの変化が微少量であっても、対応する湿度を精度良く計測できる。
As described above, according to the first embodiment, the floating capacitance of the
また、この実施の形態1によれば、同軸ケーブル12,13を各々が同種同長の同軸ケーブルとし、同軸ケーブル12,13で構成した複合同軸ケーブル4によって、感湿素子14との接続及び基準静電容量部との接続を行うので、同軸ケーブル12の浮遊容量と同軸ケーブル13の浮遊容量とを容易に同一にすることができる。また、同軸ケーブル12,13が1本の複合同軸ケーブル4にまとめられていることから、ケーブルの取り扱いや計測現場への設置も容易であり、さらに、同軸ケーブル12,13が複合同軸ケーブル4として同一の場所に配置されるため、計測現場の温度等の条件も同一にでき、計測精度が向上する。
Further, according to the first embodiment, the
1 湿度計測装置
2 回路部
2A ケース
3 感湿部
4 ケーブル
5 信号処理部
6 電源回路
7 出力信号変換部
8 外部端子
9 C−V変換回路
10 差動増幅回路
11 出力増幅回路
12,13 同軸ケーブル(第1の導電ケーブル、第2の導電ケーブル)
14 感湿素子
15 シース
16,19 シールド
17 導体
18,20 絶縁体
21 同軸ケーブル
22 測温抵抗体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
14
Claims (1)
基準静電容量を得る基準静電容量部と、
前記感湿素子と接続する第1の導電ケーブルと、
前記基準静電容量部と接続する第2の導電ケーブルと、
前記第1の導電ケーブルを介して前記感湿素子の静電容量を取得するとともに、前記基準静電容量部の基準静電容量を取得し、前記感湿素子の静電容量と前記基準静電容量から前記感湿素子の静電容量の変化分を検出する信号処理部と、
前記信号処理部で検出された前記感湿素子の静電容量の変化分を、対応する相対湿度を表す電気信号に変換して出力する出力信号変換部とを備えた湿度計測装置において、
前記第1の導電ケーブルの浮遊容量と前記第2の導電ケーブルの浮遊容量が等しくなるように、第1及び第2の導電ケーブルは、同種同長の同軸ケーブルであり、且つ、それぞれの導電ケーブルは1本の複合同軸ケーブルに含まれ、
前記第1の導電ケーブルを前記感湿素子に接続し、前記第2の導電ケーブルを信号処理部側に配置された前記基準静電容量と接続し、そのもう一方の端部を解放としていることを特徴とする湿度計測装置。 A moisture sensing part having a moisture sensing element whose capacitance changes according to the humidity in the measurement environment atmosphere;
A reference capacitance unit for obtaining a reference capacitance;
A first conductive cable connected to the moisture sensitive element;
A second conductive cable connected to the reference capacitance unit;
The capacitance of the moisture sensitive element is acquired via the first conductive cable, the reference capacitance of the reference capacitance unit is acquired, and the capacitance of the moisture sensitive element and the reference capacitance are acquired. A signal processing unit for detecting a change in capacitance of the moisture sensitive element from the capacitance;
In a humidity measuring device comprising: an output signal conversion unit that converts a change in capacitance of the humidity sensing element detected by the signal processing unit into an electrical signal representing a corresponding relative humidity, and outputs the electrical signal.
As the stray capacitance of the said stray capacitance of the first conductive cable second conductive cable becomes equal properly, the first and second conductive cables are coaxial cables of the same type same length, and each of the conductive The cable is included in one composite coaxial cable,
The first conductive cable is connected to the moisture sensitive element, the second conductive cable is connected to the reference capacitance arranged on the signal processing unit side, and the other end is opened. Humidity measuring device characterized by.
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